Fiche de révision

Les piles

Contenu

Initialement, le nom de « pile » désignait un empilement de rondelles de deux métaux différents en contact grâce à une solution ionique conduisant le courant, appelée électrolyte. Aujourd'hui, on appelle « pile » un générateur électrochimique monobloc constitué d'un seul élément, non rechargeable.

Une pile est un convertisseur d'énergie comme le montre le schéma ci-dessous.

15843_P1_C3_IM1_stdi

A Le fonctionnement d'une pile

aLe transfert direct d'électrons

Si on plonge une lame métallique de zinc dans un bécher contenant une solution d'ions cuivre Cu2+(aq), la lame se couvre progressivement de cuivre métallique et la solution se décolore. Deux couples oxydant/réducteur interviennent : Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s).

Une réaction d'oxydoréduction se produit entre le zinc et les ions cuivre selon :

Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq)+ Cu(s).

Un transfert d'électrons se produit directement entre le zinc et les ions cuivre.

bLa constitution d'une pile au laboratoire

Il est possible de réaliser un transfert d'électrons, de manière indirecte, en réalisant une pile.

La pile permettant de reproduire la réaction précédente comporte :

deux compartiments, appelés demi-piles, contenant une solution ionique d'un ion métallique dans laquelle trempe une électrode métallique du même métal ;

un pont salin permettant la circulation des ions entre les deux demi-piles. Ce pont salin est constitué d'une solution ionique gélifiée placée dans un tube en U ou d'un simple papier imbibé d'une solution ionique. Les ions présents dans le pont salin assurent la continuité électrique entre les deux solutions : des électrons ne pourraient pas passer directement. Cette pile met en jeu les deux couples Cu2+(aq)/Cu(s)et Zn2+(aq)/Zn(s).

15843_P1_C3_IM2_stdi

B L'utilisation d'un appareil de mesure

Pour que le courant circule, la pile est connectée à un circuit électrique. Les électrons doivent alors circuler dans les fils électriques du circuit.

aLa mesure de la tension électrique

La tension aux bornes de la pile est mesurée à l'aide d'un voltmètre numérique placé en dérivation en mode continu. La tension électrique UAB est mesurée en reliant la borne « V » du voltmètre en A et la borne « com » en B. On obtient alors directement la polarité de la pile étudiée.

Si la tension mesurée est positive, alors la borne « V » du voltmètre est connectée à la borne positive de la pile, la cathode, et la borne « com » est connectée à la borne négative de la pile, l'anode : la tension entre la borne positive et la borne négative de la pile est positive.

15843_P1_C3_IM3_stdi

Inversement, si la tension mesurée est négative, alors la borne « V » du voltmètre est connectée à la borne négative de la pile et la borne « com » est connectée à la borne positive de la pile : la tension entre la borne négative et la borne positive de la pile est négative.

bLa mesure de l'intensité électrique

On utilise le sens conventionnel du courant pour orienter un circuit : le courant parcourt le circuit, à l'extérieur du générateur, de la borne positive à la borne négative.

L'intensité du courant s'exprime en ampère de symbole A.

L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre numérique, branché en série en mode continu dans la branche étudiée. L'intensité du courant a la même valeur en tout point d'un circuit en série ou d'une branche.

L'indication lue est positive si le courant électrique arrive sur la borne « A » de l'ampèremètre.

Si la valeur lue est négative, c'est que le courant traverse l'ampèremètre de la borne « com » à la borne « A ». L'utilisation d'un ampèremètre permet donc de déterminer facilement quelle est la borne positive de la pile.

ATTENTION

Il faut toujours prendre le calibre le plus élevé de l'ampèremètre ou du voltmètre avant de réaliser les mesures

cLa polarité d'une pile : mise en évidence des réactifs

Si l'on connecte l'électrode de cuivre à la borne volt du voltmètre et l'électrode de zinc à la borne « com », on mesure une tension positive.

L'oxydation se fait sur l'électrode d'où sont issus les électrons, l'anode, donc la borne négative. La réduction se produit sur l'autre électrode, la cathode, qui reçoit les électrons, donc la borne positive.

Cette pile comporte deux demi-piles contenant les couples Cu2+(aq)/Cu(s)et Zn2+(aq)/Zn(s).

L'oxydation a lieu sur l'électrode négative. Il y a oxydation du réducteur du couple, donc oxydation du zinc selon l'équation : Zn = Zn2+ + 2 e.

La réduction a lieu sur l'électrode positive de cuivre, il y a donc réduction des ions Cu2+, ce qui conduit à un dépôt de cuivre métallique sur cette électrode selon l'équation : Cu2+(aq) + 2 e− = Cu(s).

La réaction globale se produisant dans la pile est donc :

Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

C'est la même réaction que celle qui s'effectue spontanément entre une lame métallique de zinc et des ions cuivre en solution. La pile permet d'utiliser une partie de l'énergie chimique transformée en énergie électrique.

La transformation chimique correspond à la réaction entre l'oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre couple. La réaction ne se fait pas directement entre les deux espèces (c'est pour cela que le transfert est indirect), sinon on ne pourrait pas extraire d'énergie électrique de cette réaction.

Dans le pont salin, les cations se déplacent dans le même sens que celui du courant alors que les anions se déplacent dans le même sens que les électrons.

C La quantité d'électricité disponible

Une pile transfère de l'énergie électrique au circuit. Il faut pouvoir établir un lien entre les quantités de réactifs mises en jeu et la quantité d'électricité qui va circuler.

La constante de Faraday (F) est la charge portée par une mole de charge élémentaire :

1 F = 9,65 × 104 C.mol1.

La charge électrique Q est liée à la quantité d'électrons ayant circulé dans le circuit électrique.

Image dont le contenu est  Q : charge en coulomb (C)Q = ne × F ne : quantité d'électrons ayant circulé en mole (mol) F : constante de Faraday en coulomb par mol (C.mol−1); Fin de l'image

Pour pouvoir établir un lien entre les quantités de charge débitées par la pile et les quantités de réactifs consommés, il faut prendre en compte les demi-réactions.

Pour la pile précédente, on a Cu2+(aq) + 2e = Cu(s). Il faut deux fois plus d'électrons que d'ions cuivre, donc ne- = 2 nCu2+.

EXEMPLE

On dispose d'une pile pour laquelle l'ion cuivre (II) serait le réactif limitant avec une quantité initiale nCu2+ = 0,020 mol. Cette pile peut donc mettre en jeu une quantité d'électrons ne- = 2 nCu2+ = 0,040 mol. La capacité théorique Q = ne- × F = 0,040 × 96 500 = 3,9 × 103 C.

Accéder à tous les contenus
dès 6,79€/mois

  • Les dernières annales corrigées et expliquées
  • Des fiches de cours et cours vidéo/audio
  • Des conseils et méthodes pour réussir ses examens
  • Pas de publicités
S'abonner